چگونه حیات اولیه بر روی زمین به‌وجود آمد؟

مجله علمی ایلیاد - تقریباً سه میلیارد سال پیش، زمین دارای آتشفشان‌های زیادی بود که گردوغبار و گازها را در اتمسفر و سنگ‌های مذاب را روی سطح زمین ایجاد می‌کرد و تخته سنگ‌های سبز متمایل به زرد، بسترهای ضخیم پروکاریوتی بودند که در یک خط ساحلی دیده می‌شدند. نکته‌ی بسیار مهم اینکه اکسیژنی که از باکتری‌های فتوسنتز‌کننده در پوشش‌های بستر آزاد می‌شود، برای همیشه اتمسفر را تغییر دادند.

از وقتی که حیات آغاز شده، تاریخچه‌ی زیست‌شناسی و زمین‌شناسی به‌هم وصل شده‌اند؛ «پروکاریوت‌های» فتوسنتز‌کننده که احتمالاً نخستین بار اکسیژن را در هوا آزاد کردند، به‌طور کامل اتمسفر زمین را تغییر دادند. ظهور انسان بر روی زمین، با سرعت و به میزانی که برای یک گونه سابقه نداشته، خشکی و آب‌و‌هوا را تغییر داد.

زمین یکی از ۹ سیاره‌ای است که به دور خورشید می‌گردد و کهکشان راه‌شیری به نوبه‌ی خود یکی از میلیارد‌ها کهکشان در جهان است. نگاه کردن به ستاره‌ها به ما این اجازه را می‌دهد که نگاهی به گذشته بیندازیم. نزدیکترین ستاره به خورشید، چهار سال نوری با آن فاصله دارد. بعضی از ستاره‌ها آن‌قدر دور هستند که حتی اگر میلیون‌ها سال پیش نابود شده باشند، هنوز آن‌ها را می‌بینیم، ولی ستاره‌های جدیدی وجود دارند که چون نور آن‌ها هنوز به زمین نرسیده است، دیده نمی‌شوند.

جهان همیشه چنین وسعتی نداشته است؛ نظریه‌ای وجود دارد که بیان می‌کند، پیش از آن که جهان به‌شکل کنونی وجود داشته باشد، احتمالاً همه‌ی مواد آن در یک توده مترکز بوده است. منظومه‌ی شمسی احتمالاً از یک ابر غبارآلود در حال چرخش نشات گرفته است؛ برای شکل‌گیری خورشید بیشتر غبارها در مرکز متراکم شده‌اند و مقدار زیادی از گردوغبار‌های باقی‌مانده در یک حلقه‌ی متحدالمرکز، در اطراف خورشید می‌گردند. درون هر مدار مرکزی جاذبه‌ی کافی برای کشیدن غبارهای مجاور و ذرات یخ وجود دارد که موجب شکل‌گیری سیارات شده‌ است.

زمین حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش به‌صورت یک جرم سرد تشکیل شده است، بعدها حرارت تولید شده در اثر برخورد شهاب‌سنگ‌ها، تجزیه‌ی مواد رادیواکتیو و فشرده شدن به وسیله‌ی گرانش، زمین را ذوب و در نهایت آن‌را به یک توده‌ی مذاب تبدیل کرد؛ سپس این توده در لایه‌هایی با چگالی‌های مختلف نظم گرفت که بیشتر نیکل و آهن در مرکز آن فرو رفتند و یک «هسته» را تشکیل دادند. مواد با چگالی کمتر، در پوششی به نام «جبه» در اطراف هسته متمرکز شدند و مواد با کمترین چگالی در سطح قرار گرفتند و در یک پوسته‌ی نازک به حالت جامد در آمدند.

 

اتمسفر اولیه بیشتر از گاز هیدروژن داغ تشکیل شده بود، چون جاذبه‌ی زمین به‌اندازه‌ی کافی برای نگهداشتن چنین مولکول‌های کوچکی قوی نبود، «دی‌هیدروژن» که نوعی از هیدروژن با فرمول H₂ است، خیلی ‌زود به فضا فرار کرد. آتشفشان‌ها و سایر منافذ موجود در پوسته، گازهایی را تولید کردند که اتمسفر جدیدی به وجود آورد. با تجزیه‌ی گازهایی که از آتشفشان‌های جدید خارج می‌شوند، پژوهشگران به این فکر افتادند که احتمالاً اتمسفر ابتدایی زمین از منواکسیدکربن، دی‌اکسیدکربن، نیتروژن و بخار آب، مقداری متان و آمونیاک تشکیل شده بوده است.

نه تنها اتمسفر زمین جوان با اتمسفری که امروز می‌شناسیم متفاوت بوده است، بلکه رعدوبرق، فعالیت آتشفشانی و پرتوی فرابنفش تابیده‌شده به زمین، بسیار شدید و قوی بوده است. حال تصور کنید که حیات در چنین محیطی آغاز شده است.

جالب است که سنگواره‌ها، شاهدهای خوبی هستند که نشان می‌دهند که احتمالاً در مدت چند صد میلیون سال بعد از جامد شدن پوسته‌ی زمین، مواد غیرزنده به جانداران سلولی ابتدایی تکامل یافتند. از روی ساختار ساده‌ی سلول‌های پروکاریوتی می‌توانیم حدس بزنیم که موجودات زنده‌ی اولیه، شاید همین پروکاریوت‌های ابتدایی بوده‌اند و ثبت‌های سنگواره‌ای این نظریه را تا حدودی تایید می‌کنند. پروکاریوت‌ها موجودات زنده‌ی تک‌سلولی هستند و هسته‌ی مشخص یا هر اندامک غشادار دیگری ندارند.

شاهدی از حیات پروکاریوتی در استروماتولیت‌ها وجود دارد؛ استروماتولیت‌ها، صخره‌ها یا سنگ‌های کربناتی هستند که طی سال‌ها فرآیند بیولوژیکی از سیانوباکتری‌ها یا جلبک سبز-آبی به‌وجود آمده‌اند.

پروکاریوت‌های فتوسنتز‌کننده از ساده‌ترین انواع جاندارانی هستند که آن‌ها را به‌عنوان «اتوتروف» می‌شناسیم. اتوتروف‌ها جاندارانی هستند که با استفاده از انرژی خورشید در طی فرآیندی که فتوسنتز نامیده می‌شود، قادر به تولید غذای خود هستند. البته فتوسنتز یک فرآیند متابولیسمی ساده نیست و بعید است که باکتری‌های فتوسنتزکننده، اولین شکل‌های حیات روی زمین بوده باشند و این‌را فهمیده‌ایم که ۳.۵ میلیارد سال پیش، پروکاریوت‌های فتوسنتز‌کننده به‌خوبی رشد کرده‌اند، این موضوع این فرضیه را تایید می‌کند که حیات در شکل ساده‌تر که قادر به ساختن مولکول‌های غذایی خود نبوده، زودتر تکامل یافته است.

از زمان یونان باستان تا قرن نوزدهم این ایده وجود داشت که حیات همیشه از ماده‌ی غیرزنده نشات می‌گیرد و خیلی از مردم بر این باور بودند که مثلاً مگس از گوشت فاسد، ماهی‌ها از گل و لای اقیانوس و جانداران میکروسکوپ از آبگوشت به‌وجود می‌آیند. با این وجود، بحث درباره‌ی این موجودات میکروسکوپی و اینکه چگونه به‌وجود می‌آیند، تا دهه‌ی ۱۸۶۰ ادامه داشت و در سال ۱۸۶۲ پژوهشگر بزرگ فرانسوی، «لویی پاستور» آن چیزی که خیلی از افراد به آن شک داشتند را تایید کرد.

 

امروزه همه‌ی موجودات زنده از جمله میکروب‌ها فقط از طریق تکثیر موجود زنده‌ی قبل از خود به‌وجود می‌آیند. پاستور به بحث و گفتگو درباره‌ی تولید خودبه‌خودی جانداران خاتمه داد، اما پاسخی برای این پرسش که چگونه حیات در مکان اولیه شکل گرفت، ارائه نداد.

 

برخی از زیست‌شناسان با این فرضیه موافقند که حیات اولیه بسیار ساده‌تر از حیات زنده‌ی امروزی بوده و پیدایش این نوع حیاتِ ساده، برای نخستین بار از مواد غیرزنده صورت گرفته است. چون موجودات زنده همچون پلیمرهایی هستند که از مولکول‌های آلی کوچک یا همان «مونومر‌» تشکیل شده‌اند و پس پیدایش و جمع شدن مولکول‌های آلی کوچک باید از ابتدایی‌ترین مراحل شیمیایی و مقدم بر پیدایش حیات باشد. بعضی از پژوهشگران گفته‌اند که شهاب‌سنگ‌ها و دنباله‌دارها منشاء این مولکول‌های آلی کوچک در سیاره‌ی زمین بوده‌اند، اما نظر اصلی آن است که بیشتر مولکول‌های آلی اولیه، از مواد غیرآلی در زمین اولیه نشات گرفته‌اند.

نظریه‌های رایج، دومین مرحله‌ی مقدم بر پیدایش حیات را تشکیل پلیمرهایی از قبیل پروتئین‌ها و اسید‌های نوکلئیک از مونومرهای آلی می‌دانند و این موضوع این امکان را به‌وجود می‌آورد که پلیمر‌ها و مونومرها، مجموعه‌هایی را تشکیل داده‌اند که در مقایسه با اطراف، خصوصیات شیمیایی متفاوتی داشته باشند. وراثت نیز ممکن است طی این مرحله شکل بگیرد. از آزمایش‌های یک دانشمند به‌نام «استنلی میلر» فهمیده‌ایم که پیدایش مولکول‌های آلی می‌توانسته روی یک زمین فاقد حیات صورت بگیرد.

آزمایش‌های میلر ،آزمایش فرضیه‌ای درباره‌ی منشاء حیات بود که توسط بیوشیمی‌دان روسی به‌نام «آپارین» و ژنتیک‌دان انگلیسی به‌نام «هالدین» مطرح شده بود. آن‌ها پیشنهاد کرده بودند که شرایط موجود در زمین اولیه، توانسته است مجموعه‌ای از مولکول‌های آلی را تولید کند که این مولکول‌ها باعث پیدایش نخستین موجودات زنده شده‌اند. آن‌ها می‌گفتند چون اتمسفر امروزی غنی از اکسیژن است، بنابراین شرایط کنونی موجود در زمین اجازه‌ی سنتز خود به خودی ترکیبات آلی را به آسانی نمی‌دهد و در نتیجه اکسیژن مخرب است. اکسیژن به‌عنوان یک عامل اکسیدکننده‌ی قوی از طریق گرفتن الکترون‌ها از پیوندهای شیمیایی موجب شکستن پیوند‌ها می‌شود. ناگفته نماند که پیش از آن که پروکاریوت‌های اولیه اکسیژن را به هوا اضافه کنند، زمین احتمالاً اتمسفر اکساینده و جوی کاهنده داشته است. پروفسور میلر چندین سال پیش برای ما این چنین عنوان کرد که اتمسفر اولیه دارای گازهای متان، آمونیاک، هیدروژن و آب بوده و واکنش‌های شیمیایی در آن اتمسفر اولیه، مولکول‌های آلی اولیه را تولید کرده است.

ساختن مولکول‌های پیچیده از مولکول‌های ساده به انرژی نیز نیاز دارد. میلر و اوری استدلال کردند که در محیط زمین اولیه، منابع فراوانی از انرژی موجود بودن است. علاوه بر رعدوبرق، پرتو فرابنفش در مقایسه با شرایط کنونی، احتمالاً با شدت بیشتری به سطح زمین می‌رسیده است. میلر و اوری پیش‌بینی کردند در شرایطی مشابه زمین اولیه، مولکول‌های آلی از مولکول‌های غیرآلی به وجود می‌آید. دکتر میلر آزمایشی انجام داده است که این دستگاه شرایط موجود در زمین اولیه را شبیه‌سازی می‌کند.

اتمسفر مخلوطی از بخار آب H₂, CH₂, NH₃ را شامل می‌شده است. پژوهشگران به این باور بودند که این گازها در گذشته، غالب بوده‌اند. برای شبیه‌سازی رعدوبرق، الکترودها جرقه‌هایی در این مخلوط گاز تخلیه می‌کردند. در زیر محفظه‌ی جرقه، یک پوشش شیشه‌ای به‌نام متراکم‌کننده‌ی بخار، آب موجود در مخلوط گازی را سرد و متراکم می‌کرد و موجب می‌شد باران همراه با ترکیبات محلول در آن به دریای کوچک برگردانده شود. وقتی که مواد در دستگاه به گردش درآمدند، محلول موجود در بالن به آرامی تغییر رنگ داد.

دکتر میلر چنین شرح داد که اولین باری که این آزمایش را انجام دادم، محلول به رنگ قرمز درآمد، همین طور که جرقه زدن ادامه یافت، بیشتر به رنگ زرد و سپس به رنگ قهوه‌ای در آمد. بعد از یک هفته میلر انواع ترکیبات آلی مانند برخی آمینواسیدهای سازنده‌ی پروتئین‌های جانداران را در این محلول پیدا کرد و جای تعجب بود که ترکیبات آلی که از نظر زیست‌شناسی بسیار اهمیت داشت را به دست آوردیم و آمینواسید‌ها نه در مقدار کم، بلکه خیلی زیاد ساخته شده بود و این آزمایش بیشتر از انتظار ما نتیجه داشت.

آزمایش‌های اولیه‌ی میلر، بررسی‌های زیادی را در زمینه‌ی پیش حیاتی ترکیبات آلی باعث شد. دکتر میلر با ایجاد تغییراتی در دستگاه میلر بیش از بیست آمینواسیدی که به‌طور معمول در جانداران پیدا می‌شود را ایجاد کرد. همین‌طور قندها، لیپید‌ها، بازهای نیتروژنی موجود در نوکلئوتیدهای دی‌ان‌ای و آر‌ان‌ای و حتی ATP را ساخته‌اند. این بررسی‌های آزمایشگاهی این مطلب را تایید می‌کند که پیش از پیدایش خود حیات در زمین اولیه، بسیاری از مولکول‌های آلی که موجودات زنده را به وجود می‌آورند، توانسته‌اند پیدا شوند.

حالا پژوهشگران عقیده دارند که ترکیب جوی زمین اولیه تا‌ اندازه‌ای با آنچه که میلر در اولین آزمایش تاریخی خود فرض کرد، تفاوت دارد. آتشفشان‌های جدید Co,Co₂, N₂ و بخار آب منتشر می‌کنند و احتمال دارد که این گازها هنگام پیدایش حیات اولیه، در اتمسفر به‌شل فراوانی وجود داشته است؛ از این‌رو H₂, NH₂, CH₂ احتمالاً ترکیبات اصلی نبودند.

پژوهشگران شک دارند که اتمسفر اولیه، نقش مستقیمی در واکنش‌های شیمیایی اولیه ایفا کرده باشد. در عوض، آتشفشان زیر آب و منافذ موجود در دریای عمیق یعنی شکاف‌هایی که پیوسته‌ی زمین وجود دارد، محل وارد شدن آب داغ و مواد معدنی به اقیانوس‌های عمیق است که این ممکن است منابع اولیه‌ی مواد شیمیایی را ایجاد کرده باشد.